JP2005340301A - 電圧依存性非直線抵抗体 - Google Patents

Abstract

【課題】 より大きな電流を流すことができ、エネルギーの大きなサージやノイズなどを除去することが可能なリングバリスタを提供する。
【解決手段】 リングバリスタ１は、リング状のバリスタ素体１０と、バリスタ素体１０の一方の主面に設けられた電極１１とを備えて構成されている。バリスタ素体１０は、内部の半導体層１０ａと、バリスタ素体１０の表面近傍に形成された絶縁層１０ｂとを有し、半導体層１０ａの内部にはリング状に形成された導体層１２が設けられている。リングバリスタ１によれば、バリスタ素体１０を構成する半導体層１０ａの内部に導体層１２が設けられているので、導体層が設けられていないバリスタ素体と比較して、電気抵抗を低下させることができる。そのため、より大きな電流を流すことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧依存性非直線抵抗体に関する。

従来から、サージやノイズを除去して電子機器等を保護するサージ防護デバイスとして電圧依存性非直線抵抗体（以下、バリスタと称する）が用いられている。特許文献１には、バリスタ電圧が正の温度特性を有し、入力電力が所定値を超えた場合であっても電流値が一定値以上増加することを防止することができるリング状のバリスタ（以下、リングバリスタと称する）が記載されている。このリングバリスタにサージ電圧が印加された場合、リングバリスタが発熱し、抵抗値が増大してバリスタ電圧が上昇することにより、電流値の増大が抑制される。
特開平２−１４６７０２号公報

近年、例えば車載用のＤＣブラシモータなどでは、駆動トルクの高出力化に伴い、駆動電圧・電流が高電圧化・高電流化している。このようなＤＣブラシモータなどから発生するサージはエネルギーが大きいため、サージを除去するためには、より大きな電流をリングバリスタに流す必要がある。

上記リングバリスタによれば、過大電流によるバリスタ自体の熱破壊を防止することができる。しかしながら、より大きな電流を流すことはできないので、高出力化されたＤＣブラシモータなどから発生するエネルギーの大きなサージを充分に除去することができない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、より大きな電流を流すことができ、エネルギーの大きなサージやノイズなどを除去することが可能なリングバリスタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電圧依存性非直線抵抗体は、リング状のセラミック素体と、セラミック素体の一の面に設けられた複数の電極とを備える電圧依存性非直線抵抗体であって、セラミック素体は、第１の抵抗値を有する第１抵抗層と、電極と第１抵抗層との間に位置し、第１の抵抗値よりも高い第２の抵抗値を有する第２抵抗層とを備え、第１抵抗層の内部には、導体層が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る電圧依存性非直線抵抗体によれば、セラミック素体を構成する第１抵抗層の内部に導体層が設けられているので、導体層が設けられていないセラミック素体と比較して、電気抵抗を大幅に低下させることができる。そのため、より大きな電流を流すことが可能となる。

上記導体層は、当該導体層の少なくとも一部が、一の面に垂直な方向から見て、複数の電極のうち隣接する２つの電極それぞれに重なるように設けられていることが好ましい。このように導体層が設けられることにより、電極間の電気抵抗をより効果的に低下させることができる。

本発明に係る電圧依存性非直線抵抗体では、導体層が、電極間の電流経路上に設けられていることが好ましい。この場合、電流経路上に導体層が設けられることにより、電極間の電気抵抗をより効果的に下げることができる。

本発明に係る電圧依存性非直線抵抗体では、導体層が、リング状であることが好ましい。この場合、電極間の電気抵抗を低減させる導電層の形成を容易に行うことができる。

本発明によれば、第１抵抗層の内部に導体層を設けた構成とすることにより、より大きな電流を流すことができるので、エネルギーの大きなサージやノイズなどを除去することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。

まず、図１乃至図３に基づいて、本実施形態に係るリングバリスタ１の構成を説明する。図１はリングバリスタ１の構造を示す平面図である。図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ方向の断面図である。また、図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ方向の断面図である。

リングバリスタ１は、セラミック素体としてのバリスタ素体１０と、複数（本実施形態においては、３つ）の電極１１とを備えている。バリスタ素体１０は、リング状に形成されている。バリスタ素体１０を主に構成するセラミック（磁器）としては種々の組成系のものが存在しているが、特に（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）ＴｉＯ_３の組成を有する複合ペロブスカイト系磁器が好適である。

各電極１１は、バリスタ素体１０の一方の主面上に形成されている。電極１１は、バリスタ素体１０の外周と同心円に沿うようにバリスタ素体１０の一方の主面に平行な面内で湾曲して、円弧状とされている。各電極１１は、等角度間隔で配置されている。電極１１は、Ｃu又はＣuを主成分とする材料からなる。電極１１がAｇからなる場合、はんだ付け時の高温化によって電極のAｇがはんだ内に溶出して、電極の一部が消失してしまう。これに対して、電極１１がＣu又はＣuを主成分とする材料からなる場合、高温化でも溶出され難い。Ｃｕ又はＣｕを主成分とする材料からなる電極１１は、高温のはんだ付けに耐え得ることとなる。

図２に示されるように、バリスタ素体１０は、第１抵抗層としての半導体層１０ａと、第２抵抗層としての絶縁層１０ｂとを有する。半導体層１０ａは、バリスタ素体１０の内部に形成されている。絶縁層１０ｂの抵抗値（第２の抵抗値）は、半導体層１０ａの抵抗値（第１の抵抗値）よりも高い。

絶縁層１０ｂは、半導体層１０ａを覆うように、バリスタ素体１０の全表面近傍に形成されている。これにより、バリスタ素体１０の一方の主面近傍に形成された絶縁層１０ｂは、半導体層１０ａと電極１１との間に位置することとなる。

半導体層１０ａの内部には、導体層１２が設けられている。導体層１２は、リング状に形成されており、バリスタ素体１０と略同心軸上に位置する。導体層１２の径方向断面形状は、矩形とされている。導体層１２には、導電性を有する金属材料などが用いられる。特に、半導体層１０ａよりも低抵抗で且つ耐還元性を有するＮｉ，Ｃｕ，Ｃや窒化物などが好適に用いられる。

導体層１２は、当該導体層１２の少なくとも一部が、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向から見て、隣接する２つの電極のそれぞれと重なるように設けられている。すなわち、導体層１２は、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向から見て、隣接する２つの電極間に跨るように設けられている。これにより、導体層１２は、電極１１の間における電流が流れる経路上に設けられることとなる。

次に、図４に基づいて、本実施形態に係るリングバリスタ１の変形例を説明する。図４は、リングバリスタ１の変形例の構造を示す平面図である。

図４に示されたリングバリスタ１の変形例では、複数（本変形例においては、３つ）の導体層１２が設けられている。導体層１２は、バリスタ素体１０の外周と同心円に沿うようにバリスタ素体１０の一方の主面に平行な面内で湾曲して、円弧状に形成されている。導体層１２は、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向から見て、隣接する２つの電極間に跨るように設けられている。本変形例においても、導体層１２は、当該導体層１２の少なくとも一部が、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向から見て、隣接する２つの電極のそれぞれと重なっている。

次に、リングバリスタ１の製造方法について説明する。バリスタ素体１０は、原料粉末を、混合、仮焼、粉砕、成形、脱バインダ、還元焼成、再酸化の順に処理することにより得られる。

原料粉末には、通常、バリスタ素体１０を構成する元素それぞれの化合物の粉末を用いる。原料粉末には、酸化物又は焼成によって酸化物となる化合物、例えば、炭酸塩、水酸化物等を用いることができる。原料粉末を、最終組成が所望の組成となるように秤量し、混合（例えば、湿式混合等）する。次いで、脱水処理した後、乾燥し、例えば１０８０〜１２５０℃程度で２〜４時間程度仮焼成する。次いで、仮焼成物を粉砕した後、有機バインダを加え、さらに水、ｐＨ調整剤、保湿剤等を加えて混合する。次いで、混合物をリング状に成形する。この際、リング状の導体層１２を積層したり、挟み込んだりすることにより、成形体の内部に導体層１２を埋設する。続いて、脱バインダ処理を施した後、還元雰囲気中において、例えば１２５０〜１４００℃程度で２〜４時間程度焼成して半導体セラミック（中間体）を得る。

このようにして得られた半導体セラミックに対し、目的に応じた適当なバリスタ電圧が得られるように、空気などの酸化雰囲気中において、例えば８００〜１０００℃程度で熱処理（再酸化処理）を施す。この熱処理により、表面近傍に数十μｍの絶縁層１０ｂが形成され、バリスタ素体１０が得られる。バリスタ特性は、この絶縁層１０ｂの存在により発現する。この絶縁層１０ｂが厚いと非直線係数及びバリスタ電圧が大きくなり、薄いと非直線係数及びバリスタ電圧が小さくなる。製品として要求される特性に応じ、絶縁層１０ｂが適当な厚さとなるように熱処理条件を適宜選択すればよい。

再酸化処理後、バリスタ素体１０の一方の主面にＣｕ又はＣｕを主成分とする材料で電極１１を形成する。このようにして、導体層１２を有するリングバリスタ１が得られる。

以上のように、本実施形態によれば、バリスタ素体１０を構成する半導体層１０ａの内部に導体層１２が設けられているので、導体層が設けられていないバリスタ素体と比較して、電極１１間の電気抵抗を大幅に低下させることができる。そのため、より大きな電流を流すことができ、エネルギーの大きなサージやノイズなどを除去することが可能となる。

また、電気抵抗が低下することにより、同一電流値での発熱量が低減するため、熱暴走による熱破壊を抑制することが可能となる。

また、本実施形態においては、導体層１２が、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向から見て、隣接する２つの電極間に跨るように設けられているので、電極間の電気抵抗を効果的に低下させることができる。

また、本実施形態においては、導体層１２がリング状であるので、導体層１２の形成を容易に行うことができる。

導体層１２の材料として、熱伝導性にも優れた材料を用いる場合、はんだ付け時の熱が導体層１２を通して素早く拡散される。これにより、バリスタ素体１０の熱膨張が抑制され、はんだ付け時における耐クラック性を向上することができる。

ここで、本実施形態によって、より大きな電流を流すことが可能であることを、実施例１〜４及び比較例１によって、具体的に示す。実施例１〜４及び比較例１では、印加電圧を変化させることによりリングバリスタに流れる電流を大きくし、熱暴走による温度上昇でリングバリスタが破壊する電流値を測定している。

実施例１では、上述した実施形態に係るリングバリスタ１と同じ構成のリングバリスタを用いた。実施例２では、導体層１２の径方向断面形状が円形である点で実施例１と相違するリングバリスタ（図５参照）を用いた。実施例３では、導体層１２が同心円状に３つ設けられている点で実施例２と相違するリングバリスタ（図６参照）を用いた。実施例４では、上述した実施形態に係るリングバリスタ１の変形例（図４参照）と同じ構成のリングバリスタを用いた。比較例１では、導体層１２を備えていない点を除いて上記リングバリスタ１と同じ構成のリングバリスタを用いた。なお、実施例１〜４及び比較例１のリングバリスタのバリスタ特性（バリスタ電圧）は、同一に設定されている。

測定結果を表１に示す。

表１から分かるように、実施例１〜３では、３．０００Ａの試験電流を流した場合でも、熱暴走が起こらず、リングバリスタの破壊は発生しなかった。また、実施例４では、３．０００Ａの試験電流を流した場合に、熱暴走によるリングバリスタの破壊が発生した。これに対して、比較例１では、１．５００Ａ以上の試験電流を流した場合に、熱暴走によるリングバリスタの破壊が発生した。以上のことから、本実施形態の有効性が確認された。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、導体層１２の形状は、上述したリング状あるいは円弧状に限られるものではなく、棒状や板状であってもよい。また、導体層１２の径方向断面形状は矩形や円形に限られることなく、楕円形や多角形であってもよい。導体層１２は、バリスタ素体１０の一方の主面に垂直な方向に複数積層されていてもよい。なお、導体層１２の形状、大きさ及び数などは、リングバリスタ１に要求される特性（例えば、サージ電流耐量など）に応じて設定される。

また、本実施形態においては、電極１１がバリスタ素体１０の一方の主面上に設けられているが、これに限られることなく、バリスタ素体１０の外周側面上に設けられていてもよい。また、絶縁層１０ｂは、バリスタ素体１０の全表面近傍に形成されている必要はなく、少なくとも電極１１が設けられている面の表面近傍に形成されていればよい。

実施形態に係るリングバリスタの構造を示す平面図である。 図１におけるII−II方向の断面図である。 図１におけるIII−III方向の断面図である。 実施形態に係るリングバリスタの変形例の構造を示す平面図である。 実施例２に係るリングバリスタの構造を示す断面図である。 実施例３に係るリングバリスタの構造を示す断面図である。

符号の説明

１…リングバリスタ、１０…バリスタ素体、１０ａ…半導体層、１０ｂ…絶縁層、１１…電極、１２…導体層。

Claims (4)

1. リング状のセラミック素体と、前記セラミック素体の一の面に設けられた複数の電極と、を備える電圧依存性非直線抵抗体であって、
   前記セラミック素体は、
   第１の抵抗値を有する第１抵抗層と、
   前記電極と前記第１抵抗層との間に位置し、前記第１の抵抗値よりも高い第２の抵抗値を有する第２抵抗層と、を備え、
   前記第１抵抗層の内部には、導体層が設けられていることを特徴とする電圧依存性非直線抵抗体。
2. 前記導体層は、当該導体層の少なくとも一部が、前記一の面に垂直な方向から見て、前記複数の電極のうち隣接する２つの電極それぞれに重なるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電圧依存性非直線抵抗体。
3. 前記導体層は、前記電極間の電流経路上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電圧依存性非直線抵抗体。
4. 前記導体層は、リング状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電圧依存性非直線抵抗体。

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